Dedicated to the memory of Nikolay Vasiliev, who for many years led the deep drilling project at Vostok Station

C начала 50-х гг. XX в., когда началось активное изучение Антарктиды, бурение стало неотъемлемой частью многих масштабных научных проектов, осуществляемых на ледяном материке. Благодаря стремительному развитию техники и технологий бурения было сделано множество научных открытий в области палеоклиматологии, геологии, гляциологии и ряда других естественных наук. С 1968 г. и по сей день одну из ведущих ролей в развитии данного направления играет Санкт-Петербургский горный университет. В его стенах было воспитано несколько поколений специалистов по бурению льда. Особое место среди них занимает бессменный руководитель направления антарктических исследований в период с 2002 по 2021 г., профессор, доктор технических наук Николай Иванович Васильев. Его вклад в развитие отечественного бурения в Антарктиде невозможно переоценить. Многолетняя творческая деятельность Н.И. Васильева заложила основу для многих достижений в этой области за последние 30 лет. Его путь является ярким примером трудолюбия и преданности своему делу на протяжении всей жизни. Эта статья — дань уважения и памяти профессору Н.И. Васильеву, которую хранят его друзья, последователи и коллеги, имевшие счастье работать с этим талантливым человеком и ученым и учиться у него.

Статья основана на дополнительных исследованиях минеральных включений в кернах аккреационного льда скважины 5Г на станции Восток в Центральной Антарктиде. Исследования включают рентгеновскую микротомографию двух минеральных включений с определением их минерального состава, анализ глинистых минералов в агрегате крупного включения и геохронологическое изучение зерен циркона. Рентгеновская микротомография показывает неповрежденную морфологию включений в ледяном керне и их внутреннюю текстуру. На основании анализа микрофотографий можно предположить, что обломок породы был захвачен в зоне налегания льда на мелководном участке озера Восток, расположенном выше по течению льда от станции Восток, и затем некоторое время находился в водном кармане с мелкозернистой взвесью, которая оседала на поверхности обломка. Агрегат крупного включения характеризуется преобладанием иллита (69 %), промежуточными концентрациями хлорита (24 %) и относительно небольшим количеством каолинита (7 %). Примечательным является отсутствие смешаннослоистых глинистых минералов, характерных для прибрежных районов Антарктики. Наиболее ценная информация получена из новых геохронологических данных и их интеграции с предыдущими данными датирования. U-Pb возраст детритовых зерен циркона показывает лавные пики на рубежах 900, 1000 и 1100 млн лет, в то время как возраст зерен монацита в основном сгруппирован между 1250 и 1450 млн лет с одним пиком вероятности на рубеже 1100 млн лет. Доминирующая возрастная группа зерен циркона между 900 и 1100 млн лет хорошо согласуется с главной фазой рейнерской орогении, проявленной в Восточной Антарктиде между Землей Королевы Мод и Землей Королевы Мэри, хотя подледные горы Гамбурцева можно рассматривать как более вероятный источник сноса. Зерна монацита, вероятно, отвечают ранней фазе рейнерской орогении.

Представлен новый набор данных по составу стабильных изотопов воды (δD и δ18O) в толще конжеляционного льда подледникового озера Восток (3538–3769 м), измеренных по трем параллельным ледяным кернам. Высокая точность новых данных позволила охарактеризовать условия формирования различных участков этого льда. Весь интервал озерного льда можно разделить на три зоны: 1) «зона 0», 3538,8–3549,8 м, находится под сильным влиянием местных вод, образованных растаявшим атмосферным льдом, вероятно, поступающим из-под ледника на западном берегу озера; 2) «зона 1» (озерный лед 1), 3549,8–3607,4 м, испытывает значительные колебания изотопного состава вследствие различий эффективного коэффициента фракционирования при замерзании водных включений в ледяной матрице; 3) «зона 2» (озерный лед 2), 3607,4–3768,8 м, находится под влиянием талых ледниковых вод, поступающих из северной части озера, и гидротермального потока со дна озера. Впервые определена точная граница между озерным льдом 1 и льдом 2, которая соответствует резкому изотопному выбросу на глубине 3607,4 м. Приводятся данные о параметре 17О-excess в озерном льду и воде, что позволило провести прямой расчет равновесного коэффициента фракционирования кислорода 17 при замерзании воды.

В статье представлен обзор исследований, выполненный к настоящему времени в районе подледникового озера Восток (Восточная Антарктида). Они включают в себя геофизические, гляциологические, геодезические и геологические исследования. Наиболее важные геофизические исследования были проведены Полярной морской геологоразведочной экспедицией. Они включали в себя сейсмические исследования методом отраженных и преломленных волн, а также радиолокационное профилирование. Значительный вклад в изучение этого региона внесли американские исследователи, которые в ходе летнего полевого сезона 2000/01 г. провели комплексную аэрогеофизическую съемку по регулярной сети маршрутов. Она включала в себя магнитометрические, гравиметрические и радиолокационные измерения. В результате этих работ установлено, что площадь водной поверхности составляет 15 790 км², а ее высота над уровнем моря изменяется в пределах от –600 до –150 м. Средняя глубина озера Восток составляет 400 м, а максимальные отметки достигают 1200 м. Объем воды озера составляет 6100 км³. На его акватории насчитывается 11 островов, а их общая площадь составляет 365 км². Кроме того, вокруг озера было обнаружено 56 изолированных подледниковых водоемов, один из которых активный. На начальном этапе проводились специализированные работы, направленные на совершенствование методики исследований и повышения их точности. Они позволили установить, что непосредственно в пункте бурения скважины 5Γ средняя скорость распространения упругих волн в теле ледника и в чистом атмосферном льду (пластовая скорость) составляет 3810 ± 20 м/с и 3920 ± 20 м/с соответственно; средняя скорость распространения электромагнитных волн составляет 168,4 ± 0,5 м/мкс. На основе этих данных была определена мощность ледника в этом районе, которая составила 3768 м. Специальный раздел посвящен обзору математических моделей, которые описывают процессы теплои массопереноса в леднике и движения воды в озере Восток. Новый этап исследований на обновленной станции видится авторам как масштабные мультидисциплинарные работы с опорой на результаты бурения скважины, включая донное опробование. Конечным результатом может стать описание глубинного строения и этапов развития региона, а также математическая модель процессов тепломассопереноса в леднике и озерной воде. Изучение озера Восток является безусловным приоритетом отечественных исследований в Антарктиде. Это нашло свое отражение в «Стратегии развития деятельности Российской Федерации в Антарктике до 2030 года», утвержденной Правительством РФ 19.08.2020. В этом основополагающем документе, регламентирующем все научные исследования в южной полярной области, имеется Мероприятие № 21 «Комплексные исследования подледникового озера Восток и палеоклимата Земли в районе российской антарктической станции Восток», и планируемые работы следуют в фарватере приоритетных научных задач нашей страны в Антарктике.

Два вскрытия крупнейшего на нашей планете подледникового озера Восток, осуществленные под руководством профессора Санкт-Петербургского горного университета Николая Ивановича Васильева, стали выдающимися событиями в истории антарктической науки. Бесценный опыт и знания, полученные во время первого вскрытия озера 5 февраля 2012 г., были полностью учтены при планировании и проведении второго вскрытия подледникового водоема, которое было выполнено 25 января 2015 г. с минимальными отклонениями от заданных параметров. В ходе этих уникальных буровых операций были получены самые точные на сегодняшний день оценки мощности ледникового покрова (3758,6 ± 3 м) и давления льда на контакте ледника с подледниковым водоемом (33,85 ± 0,05 МПа) в пункте бурения. Было установлено, что разница давлений воды и льда на границе раздела близка к нулю и, следовательно, ледниковый щит на этом участке находится в гидростатическом равновесии с озером. К сожалению, надежды на то, что поднявшаяся в скважину подледниковая вода окажется полезной для изучения среды озера Восток, оправдались не в полной мере. Сильное органическое, биологическое и техногенное загрязнение керна замерзшей воды озера, который был получен до выхода бурового снаряда из материнской скважины, сделало его практически непригодным для изучения большинства свойств подледниковой воды, кроме ее изотопного состава. Редким исключением стала проба конжеляционного льда, полученная после второго вскрытия озера, которая, благодаря строгим процедурам деконтаминации и контроля загрязнения, позволила сделать вывод о том, что поверхностная вода озера, попавшая в скважину, скорее всего, не содержит микробную ДНК (см. Bulat et al. в этом номере). Вместе с тем исследования двух параллельных кернов из скважин 5Г-2 и 5Г-3, достигших поверхности озера, позволили получить новые данные как об условиях формирования нарастающего на нижнюю поверхность ледника озерного льда, так и о среде и гидрологическом режиме озера Восток (Ekaykin et al. в этом номере). Повторное бурение скважин, заполненных замерзшей озерной водой, показало, что во всех случаях в зоне взаимодействия заливочной жидкости и подледниковой воды образуется твердое белое вещество — смесь льда и гидрата фреона HCFC-141b. Было установлено, что образование гидрата происходит практически мгновенно, еще до завершения бурового рейса, в котором производилось вскрытие озера. Образующееся твердое вещество частично или полностью заполняет скважину и препятствует любым попыткам взять пробу жидкой озерной воды. Последнее означает, что существующая глубокая скважина, заполненная смесью керосина и дихлорфторэтана HCFC-141b, не может быть использована в качестве скважины доступа для проведения прямых исследований подледникового водоема. Предложенная ранее замена используемой в настоящее время буровой жидкости в призабойной зоне скважины на жидкость, не реагирующую с водой (например, кремнийорганическую), может, на наш взгляд, лишь еще больше усложнить взаимодействие различных жидкостей в скважине и создать пока неизвестные технологические проблемы, не разрешив при этом существующих экологических озабоченностей. По какому бы пути ни пошли дальнейшие исследования озера, неугасающий научный и общественный интерес к изучению подледниковой среды Антарктиды вообще и озера Восток в частности дает нам надежду на то, что работа, начатая командой Н.И. Васильева, будет продолжена. Следующая грандиозная задача — проникновение в подледниковый водоем с целью проведения отбора проб и прямых исследований водной толщи и донных осадков озера Восток. Подготовка и осуществление проникновения в озеро потребуют создания новых буровых и исследовательских технологий, а следовательно, значительных финансовых и человеческих ресурсов. Хочется верить, что с вводом в эксплуатацию нового зимовочного комплекса станции Восток придет время и для этого нового масштабного антарктического проекта.

Озеро Восток площадью около 15500 км² является крупнейшим подледниковым озером в Антарктиде. Задача проникновения в озеро может быть решена только путем использования экологически чистой технологии бурения, исключающей попадание в водоем современной микрофлоры и обеспечивающей сохранение жизнеспособности реликтовых организмов. К сожалению, вскрытие озера Восток, проведенное российскими исследователями в феврале 2012 г., не позволило, отобрать «чистые» пробы озерной воды, поскольку они оказались контаминированы токсичной буровой жидкостью. В статье представлены четыре потенциальных варианта вскрытия подледникового озера Восток — три типа термоигл (с нагревательным кабелем, с антифризом и с расположенной в снаряде лебедкой и вмораживаемым кабелем) и система бурения горячей водой, которые можно рассматривать как экологически чистые технологии бурения и которые могут быть использованы в холодных льдах Восточной Антарктиды. Описание включает в себя только общие идеи и краткие оценки основных параметров предлагаемых технологий и не содержит детальных концепций. Все предложенные методы имеют свои преимущества и недостатки. Окончательное решение о применимости того или иного метода вскрытия должно приниматься в результате детальных научно-исследовательских и проектных работ, включающих теоретические исследования, моделирование, лабораторные и полевые испытания на основе имеющихся возможностей финансирования и логистики.

Глубокие подледниковые озера Антарктики представляют собой фактически не исследованную водную среду, изучение которой дает возможность получить уникальную информацию об эволюции микроорганизмов, климате Земли в прошлом и формировании антарктического ледяного покрова. Подледниковое озеро Цилинь, обнаруженное средствами дистанционного зондирования в центральной части Земли Принцессы Елизаветы в Восточной Антарктиде, является одним из идеальных объектов для предстоящих исследований. Длина озера оценивается в 42 км, а площадь — в 370 км², что делает его одним из крупнейших подледниковых озер в Антарктиде. Озеро предположительно является изолированным и покрыто льдом средней толщины около 3600 м. В настоящее время в Китае начаты научно-исследовательские работы по разработке системы глубокого бурения с горячей водой для экологически чистого доступа к этому озеру. Предлагаемая буровая система включает в себя восемь подсистем: (1) первичный контур нагрева горячей воды, (2) вторичный контур нагрева горячей воды, (3) систему механической и биологической очистки горячей воды, (4) спуско-подъемное оборудование, (5) забойное оборудование c гидравлической насадкой, (6) систему рециркуляции воды, (7) электрические генераторы и (8) систему контроля и управления. В статье представлены общая концепция системы экологически чистого глубокого бурения с горячей водой и краткое описание стратегии бурения. Бурение скважины доступа к озеру запланировано на сезон 2026/27 г.

Имеющиеся на сегодняшний день корпуса российской станции Восток (Восточная Антарктида) начали эксплуатироваться в 1963 г. и уже многие годы находятся под снегом. В связи с обширными планами по изучению подледникового озера Восток было принято решение о возведении нового зимовочного комплекса. Поскольку в районе строительства имеется мощная снежно-фирновая толща, установка комплекса требует наличия твердого фундамента. Его размеры, исходя из конфигурации нового зимовочного комплекса, составляют 200×120 м. Строительство фундамента было решено осуществлять путем послойного уплотнения снега. Исходя из ориентировочного веса комплекса в 2500 тонн, времени его эксплуатации около 30 лет и предполагаемого давления опор станции на снежный покров в 100 кПа, плита фундамента должна иметь плотность не менее 550 кг/м³, твердость покрытия более 0,5 МПа. При создании метода ее формирования за основу была принята методика послойного уплотнения снега, разработанная для строительства снежных аэродромов на глубоком снегу, пригодных для приема тяжелых самолетов на колесном шасси. Экспериментальное уплотнение снега осуществлялось с помощью гусениц различных тягачей, после чего выполнялись штамповые испытания снежных поверхностей с различными исходными характеристиками снега. Оценка несущей способности фундамента осуществлялась методом расчета вертикальных механических напряжений на его нижней поверхности, образующихся от давления опор станции. Оценка прочностных характеристик снега производилась как прямыми измерениями по методу Бринелля, так и с помощью механического пресса по отобранным образцам и пенетрометром. В конечном итоге плотность снежных слоев в верхней части фундамента достигла 650 кг/м³. В общей сложности, помимо базового слоя, было сформировано еще 9 дополнительных слоев. Первые восемь — летом 2019/20 г., а последний — в январе 2022 г. Общая толщина фундамента превысила 3 метра. При нанесении снежных слоев осуществлялся геодезический контроль за их толщиной и горизонтальностью. Разброс неровности высоты самой поверхности фундамента не превышал 10 см. Для экономии времени и более эффективного использования техники его поверхность на первом этапе строительства делилась на две равные части размером 200×60 м. На одной из площадок фундамента проводилось уплотнение нанесенного снежного слоя, а на другой, уже уплотненной, наносился очередной снежный слой. По окончании его строительства среднее превышение поверхности относительно естественного снежного покрова составило 210 см. Исходя из скорости аккумуляции снега, а также погружения опор станции и фундамента в снежную толщу, поверхность нижней части опор станции сравняется с уровнем естественного снежного покрова примерно через 30 лет. Фактическое среднее погружение плиты фундамента за два года в снежную толщу составило около 8 см, что неплохо согласуется с теоретическими расчетами. Таким образом, новые корпуса станции Восток удовлетворительно просуществуют на протяжении по крайней мере тридцати лет, а с учетом того, что высоты самих ее опор составляют 4 метра, значительно дольше.

Реализация буровых проектов в Антарктиде требует проведения комплексных научно-исследовательских работ, направленных на изучение процессов, протекающих при бурении ледников. Важную роль в данных исследованиях играют экспериментальные стенды с искусственным ледовым массивом.

В результате проведенного обзора было установлено, что в большинстве случаев экспериментальные стенды и сооружения имеют ограничения в габаритах и функциональных возможностях и не могут воспроизвести реальных условий эксплуатации (низкие температуры, высокое давление, физико-механические свойства атмосферного льда) разрабатываемого уникального оборудования. Начало эксплуатации оборудования без проведения испытаний в реальных скважинных условиях повышает риски возникновения осложнений и аварий в процессе работ, вызванных недостатками в конструкции оборудования. Данные недостатки могут быть обнаружены только при проведении буровых работ непосредственно в Антарктиде, что может отрицательно сказаться на сроках реализации научно-исследовательских проектов.

Решением обозначенной проблемы является выстраивание новой последовательности испытаний работоспособности скважинного оборудования для условий Антарктиды:

1)           Апробация концептуальных решений для технологий и технических средств в рамках малых экспериментальных стендов с использованием ледяных блоков.

2)           Испытание полноразмерных рабочих прототипов в условиях ледяных скважин, на базе учебнонаучного полигона «Саблино» Санкт-Петербургского горного университета (Ленинградская область, Россия). Конструкция скважин и их технологические возможности разработаны с учетом достоинств и недостатков предшествующих проектов. Климатические камеры, в которых расположены скважины, рассчитаны на регулирование температур в скважине в диапазоне от –2 °С до –70 °С. Предложенное в работе экспериментальное сооружение позволит проводить широкий комплекс испытаний оборудования для полярных условий.

3)           Предварительные испытания оборудования в скважинных условиях на базе модернизированного бурового комплекса им. Б.Б. Кудряшова на станции Восток, Антарктида. Испытание разработанного оборудования в условиях скважины 5Г позволит оценить работу устройств в реальных условиях перед их внедрением в рабочую эксплуатацию.

Данный комплекс средств по испытанию оборудования будет способствовать решению множества научных и практических задач, связанных не только с исследованиями в Антарктиде, но и проектами, реализуемыми в арктических регионах.

Целью исследования был поиск микробной жизни в подледниковом антарктическом озере Восток путем изучения верхнего слоя воды, попавшей в скважину и замерзшей в ней после того, как озеро было вскрыто. Образец был получен из скважины на глубине 3721 м и состоял изо льда замерзшей озерной воды. Он был тщательно деконтаминирован, расплавлен в чистом помещении, и выделенная геномная ДНК была амплифицирована с использованием вырожденных праймеров, специфичных для области v3-v4 бактериальных генов 16S рРНК. Для секвенирования полученных ампликонов использовали метод Сэнджера и технологию высокопроизводительного секвенирования Oxford Nanopore. Анализ ДНК по методу Сэнджера выявил в общей сложности 16 бактериальных филотипов, из которых только один филотип, 3721v34-24, прошел все критерии на контаминацию. Этот филотип был доминирующим и включал 41,4 % клонов с тремя аллельными вариантами, но остался неклассифицированным, показав 87,7 % сходства с ближайшим таксоном в GenBank Mucilaginibacter daejeonensis NR_041505 из филума Bacteroidota (семейство Sphingobacteriaceae). Технология Oxford Nanopore секвенирования дала 21067 прочтений для образца 3721 м и 3780 прочтений для контроля. Из них 7203 (34 %) и 1988 (53 %) прочтений для образца льда и контроля, соответственно, были классифицированы с аккуратностью 93 %. Для образца 3721 м был идентифицирован 21 бактериальный филотип с численностью таксонов выше 0,5 %. Пятнадцать из них оказались общими с находками по Сэнгеру, а остальные шесть были уникальными, но присутствовали в нанопоровом контроле или оказались очевидными контаминантами. Пятнадцать филотипов, совпадающих с таковыми по Сэнджеру, были определены как контаминанты. Филотип по Сэнджеру 3721v34-24, который считался истинной находкой для воды озера, в нанопоровом секвенировании был обнаружен как в образце льда 3721 м, так и контроле, т. е. был также отнесен к контаминантам. Таким образом, самый верхний горизонт воды в озере Восток может не содержать микробной ДНК. Для прояснения этого вопроса проводятся дальнейшие исследования замерзших в скважине проб воды.